Аварійні ситуації в роботі асинхронного двигуна і методи захисту

Асинхронний двигун є найбільш надійним з усіх електродвигунів. Він просто влаштований, тому при правильній експлуатації може прослужити дуже довго. Але щоб це сталося, потрібно захист від тих чи інших проблем, які можуть призвести до скорочення терміну служби. Якщо трапляється аварійний режим необхідно своєчасно і швидко відключити електродвигун, щоб аварія не отримала руйнівного розвитку.

Найбільш поширеними аварійними ситуаціями і відповідними їм видами захисту є:

• Короткі замикання. У такій ситуації перевищення заданих величин струмів в обмотках повинно викликати спрацьовування захисту, яка виконає відключення від мережі.
• Перевантаження, в результаті якої температура всього движка збільшується.
• Проблеми з напругою, яке або зменшується, або пропадає.
• Зникнення напруги на одній з фаз.

У схемах захисту використовуються плавкі запобіжники, реле і магнітні пускачі з автоматичними вимикачами. Схема може бути побудована таким чином, що буде виконуватися відразу кілька видів захисту асинхронного двигуна. Наприклад, можуть бути використані автоматичні вимикачі з комутаціями і при перевантаженнях, і при коротких замиканнях. Плавкі запобіжники мають одноразову дію і вимагають втручання оператора для заміни.

Реле й магнітні пускачі спрацьовують багаторазово, але можуть відрізнятися за способом відновлення вихідного стану. Для них можливий або автоматичний самовозврат, або установка вручну. Захист треба вибирати, грунтуючись на:

• призначення приводу, в якому працює асинхронний двигун;
• електромеханічних параметрах приводу;
• умовах навколишнього середовища;
• можливості обслуговування персоналом.
• Головними якостями захисту повинна бути простота в експлуатації і надійність.

Будь-асинхронний двигун повинен мати захист від коротких замикань. При цьому вона повинна бути спроектована і налаштована з урахуванням струму пуску і гальмування, які можуть перевищувати номінальний струм майже в десять разів. Але необхідно враховувати і можливість замикань в обмотці движка в різних місцях. При таких ситуаціях захисне спрацьовування повинно статися при величині струму меншою, ніж при пуску асинхронного двигуна. Оскільки такі вимоги суперечать один одному захист доводиться робити з затримкою відключення. Якщо за цей час ток, який двигун споживає з мережі, істотно збільшиться, вона спрацює.

Вимоги до захисту при коротких замиканнях в асинхронних двигунах закладені в ПУЕ, які вимагають наступне (показано на зображенні нижче).

• Місце установки - перед зажимами движка на відгалуженні до нього.
• Надійне відключення при коротких замиканнях на його затискачах.

Точки на зображенні:

• К1 - однофазне замикання на землю в мережах з заземленням нейтралі;
• К2 - двофазне замикання;
• К3 - трифазне коротке замикання.

Струм перевантаження движка треба враховувати тільки в тих приводах, в яких можливі порушення нормального технологічного процесу з великими зовнішніми зусиллями, прикладеними до валу. При цьому треба враховувати перевантажувальну здатність електродвигуна. Якщо захист від перевантаження спрацьовує занадто часто, найімовірніше те, що потужність движка не відповідає призначенню. У таких випадках недопустимі помилкові спрацьовування, які усуваються правильним вибором і якісної регулюванням компонентів захисту.

Короткі замикання і захист від перевантажень

Найпростіша захист від замикань містить тільки плавкі запобіжники. Вони застосовуються в діапазоні потужностей двигунів до 100 кВт. Однак при їх використання можливо перегорання не всіх трьох запобіжників. Тому движок може штучно виявитися з однією або двома відключеними фазними обмотками. Залежно від призначення електроприводу існують різні критерії вибору запобіжників.

Якщо у приводу навантаження вентиляторного типу, для якої характерний легкий пуск, номінальний струм плавкої вставки вибирається не менше 40% від величини пускового струму. Цей критерій можна застосувати для металорізальних верстатів, вентиляторів, насосів і т.п. у яких перехідний процес триває від двох до п`яти секунд. Якщо час перехідного процесу більш тривалий від десяти до двадцяти секунд номінальний струм плавкої вставки повинен бути не менше 50% від величини пускового струму. Цей критерій можна застосувати для приводів з валом загальмованих навантаженням. До них можна віднести дробарки, центрифуги, кульові млини.

Якщо є група з декількох електродвигунів, запобіжники ставляться на кожен з них і на розподільний щит. На ньому в кожній фазі встановлюється запобіжник з номінальним струмом рівним сумі номінальних струмів запобіжників всіх двигунів. Якщо величина пускового струму не відома, а потужність Р асинхронного двигуна менше 100 кВт, можна вибрати приблизне значення номінального струму I запобіжника таким способом:

• при напрузі 500 Вольт I= 4,5Р;
• при напрузі 380 Вольт I= 6Р;
• при напрузі 220 Вольт I= 10,5Р.

Для більш точного спрацьовування і для всього діапазону потужностей асинхронних двигунів застосовуються схеми захисту з реле. Такі схеми дозволяють врахувати струми пуску і гальмування і не реагувати на них. Спрацьовування реле призводить до вимикання магнітного пускача і знеструмлення двигуна. Ці так звані «максимальні» реле в залежності від конструкції мають котушку, розраховану на струми від десятих часток Ампера до сотень Ампер, а так само контакти, що відключають струм в котушці магнітного пускача.

Похибка їх спрацьовування зазвичай не перевищує десяти відсотків. Повернення в початковий стан конструктивно найбільш часто зроблений вручну. Типова схема захисту показана на зображенні. РМ - позначення максимальних реле, Л - позначення магнітного пускача.

Максимальні реле також застосовуються і для захисту від перевантаження. Але при цьому в схему вводиться реле часу, яке дозволяє зробити настройку її без обліку пускових струмів.

тепловий захист

теплове реле є альтернативним способом захисту електродвигуна з певною інерцією спрацьовування. Принцип дії заснований на використанні біметалічної пластини, яка нагрівається струмом обмоток двигуна. Деформація пластини призводить до спрацьовування контактів, необхідних для відключення движка.

Надійність такого захисту залежить від подібності теплових процесів в реле і в двигуні. Таке можливо тільки при досить тривалій перерві між включеннями і виключеннями движка. Умови навколишнього середовища для двигуна і для елементів теплового захисту повинні бути однаковими.

Швидкість спрацьовування теплових реле тим менше, чим більше струм, що протікає через нагрівальні елементи або ж саму пластину в залежності від конструкції. При великих значеннях струмів в обмотках асинхронного двигуна підключення виконується з використанням трансформаторів струму. Існують моделі магнітних пускачів з вбудованими в них тепловими реле.

Основними електричними параметрами є

• Номінальна напруга. Це максимальне напруження в мережі допустимий для використання реле.
• Номінальний струм, при якому реле працює тривалий час і не спрацьовує при цьому.

Тепловий захист не здатна реагувати на струми короткого замикання і неприпустимі короткочасні перевантаження. Тому її треба використовувати спільно хоча б з плавкими запобіжниками.

Більш досконалою різновидом захисту електродвигуна від неприпустимого нагрівання є схема з використанням спеціального датчика тепла. Такий тепловий сенсор розташовується на самому двигуні в тому чи іншому місці. Деякі моделі двигунів мають вбудований біметалічний сенсор - контакт, що підключається до захисту.

Зниження напруги і зникнення фази

Повністю навантажений асинхронний двигун, що працює при зниженій напрузі, швидко нагрівається. Якщо в ньому є вбудований тепловий сенсор, спрацює тепловий захист. Якщо такого немає, необхідний захист від зниження напруги. Для цих цілей служать реле, які спрацьовують при зниженні напруги і подають сигнал на відключення движка. На схемі нижче це РН.

Відновлення вихідного стану захисту зазвичай виконується вручну або автоматично, але з затримкою в часі для кожного двигуна при їх групі. Інакше одночасний груповий запуск після відновлення знову-таки може викликати повторне пониження напруги в мережі і нове відключення.

Спеціальний захист від зникнення фази, тобто від роботи тільки на двох фазах ПУЕ передбачає тільки в таких приводах, де можливі неприйнятні за своєю тяжкістю наслідки. Економічно доцільно не виготовлення та встановлення такого захисту, а ліквідація причин, що призводять до такого режиму роботи.

Найостаннішими технічними рішеннями в побудові захисту електродвигунів є автоматичні вимикачі з повітряним гасінням дуги. Деякі моделі поєднують в собі можливості рубильника, контактора, максимального і теплового реле і виконують відповідні захисні функції. В такому автоматі контакти розмикаються потужної зведеною пружиною. Звільнення її відбувається в залежності від типу виконавчого елемента - електромагнітного або теплового.